基于Fluent的多层气体降温结构数值模拟与试验研究

摘要

由于高层建筑规模大、功能和结构较为复杂，发生火灾后扑救、人员逃生难度大，极易造成群死群伤事故。因此，尽快开发出安全、高效的逃生设备是高层建筑逃生领域亟待解决的问题。高层建筑火灾救生舱作为受困人员避难场所，能够有效满足受困人员逃生需求，其舱体结构的隔热性能是火灾救生舱研制过程中的关键技术。 本文通过研究多层隔热传热机理，结合无源气体降温技术，设计制作了一种以金属箔、隔热材料、多层铜管为基础的多层气体降温结构。其创新性在于将航天航空领域的多层隔热结构应用在火灾救生舱隔热层中，并且考虑到救生舱需要长时间处于火灾高温环境下，采用无源制冷技术，利用低温气体对隔热层进行降温，以延长有效隔热时间，确保舱内人员生命安全。 为了研究高温下多层气体隔热结构的隔热效果，搭建了隔热性能高温测试平台，测试了高温环境下添加铝箔、不锈钢箔前后各层降温效率，以及在不同内层温度下低温气体对各层温度影响情况；利用Fluent软件进行了仿真模拟，并将模拟、试验结果对比分析；另外，模拟了真实火灾条件下，气体流速、温度以及外界环境温度对气体降温效果影响情况。通过测定结果可知：添加铝箔可以有效提高隔热结构隔热效率，加热温度越高，隔热效率越好，在加热温度为800℃时，隔热效率可以达到55%；在相同加热温度下，添加不锈钢箔的隔热结构隔热效率低于铝箔隔热效率；试验测试与仿真温度变化情况基本吻合，数值模拟可以真实反映流体降温复杂过程，为隔热结构设计和改进提供理论依据；多层气体结构可以有效降低隔热层温度，通入气体流速越快、温度越低，隔热层内层温度越低，可维持低温时间越长；同时，通入气体流速越快，外层升温速率也越慢，通入气体的温度对外层升温速率几乎没有影响；外层加热温度越高，外层升温速率越快，但对内层降温效果影响很小。

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 火灾救生舱的研究现状

1.2.2 二氧化碳制冷的研究现状

1.3 本课题研究目标及主要研究内容

第二章 隔热结构与高温测试平台

2.1 多层气体降温结构的设计

2.1.1 理论基础

2.1.2 材料的选择

2.1.3 制作多层气体隔热结构

2.2 高温测试平台的搭建

2.2.1 温度控制系统

2.2.2 温度采集系统

2.3 本章小结

第三章 多层气体隔热结构试验研究

3.1 铝箔对隔热效率影响

3.1.1 试验内容

3.1.2 试验结果及分析

3.2 不锈钢箔对隔热效率影响

3.2.1 试验内容

3.2.2 试验结果及分析

3.3 低温气体降温效果研究

3.3.1 试验设计

3.3.2 试验结果与分析

3.3.3 延缓升温效果对比

3.4 本章小结

第四章 模拟结果和试验结果对比

4.1 流体力学概述和FLUENT简介

4.1.1 流体力学概述

4.1.2 FLUENT软件简介

4.1.3 数学模型的建立

4.1.4 数值模拟基本步骤

4.2 湍流模型

4.3 Fluent数值模拟

4.3.1 几何模型建立

4.3.2 网格划分

4.3.3 边界条件

4.3.4 材料参数设置

4.4 数值模拟结果分析

4.4.1 试验与仿真各层温度变化情况对比

4.5 本章小结

第五章 模拟火灾环境下气体降温情况

5.1 气体流速对隔热层降温影响

5.2 气体温度对隔热层降温影响

5.3 不同加热温度对气体降温影响

5.4 本章小结

第六章 总结和展望

6.1 工作总结和创新点

6.1.1 工作总结

6.1.2 创新点

6.2 未来工作展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致　　谢